JP3601331B2

JP3601331B2 - Power supply

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Publication number: JP3601331B2
Application number: JP37359098A
Authority: JP
Inventors: 理高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2018-12-28
Also published as: JP2000197393A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゼンマイ等の機械エネルギ蓄積手段に蓄積された機械エネルギを徐々に取り出しながら発電し外部に供給する電源装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、ゼンマイ等に蓄積された機械エネルギを徐々に取り出しながら発電し外部に供給する電源装置が知られている。
【０００３】
このような電源装置においては、ゼンマイ等に蓄積されたエネルギを有効に活用して持続時間を長くすることが必要であり、そのために、いろいろと工夫がなされている。例えば、特開平８−７５８７４号公報の発電装置によれば、電源の電圧を検出して、その電圧が高いとき、昇圧段数を高くするか、コイル両端をショートさせるかにより、ゼンマイの解放スピードを遅くしてエネルギを保存している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の発電装置では、昇圧段数を高くするためには、昇圧段数を切り替えるための多くのコンデンサが必要となるので、コストが高くつくという問題がある。
【０００５】
また、コイル両端をショートさせる場合では、流れた電流は熱になるのみで、電気エネルギとして有効に使えないという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、コストを安くできるとともに、ゼンマイ等に蓄積されたエネルギを有効に活用して持続時間を長くできる電源装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の電源装置は、機械エネルギ蓄積手段に蓄積された機械エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、この発電部からの電力を充電して外部に供給する蓄電部と、この蓄電部からの供給電圧に基づいて前記発電部の回転速度をチョッパリングにより前記発電部にブレーキを掛けて制御するチョッパ制御回路とを有し、前記チョッパリングの周波数が、前記発電部の起電圧波形の周波数の５倍〜１００倍であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の電源装置では、発電部をゼンマイ等の機械エネルギ蓄積手段に蓄積されたエネルギで駆動し、蓄電部からの供給電圧に基づいて発電部にチョッパ制御回路によりブレーキをかけることでロータ等の機械エネルギ源の解放速度を調速する。このため、例えば、ゼンマイを巻き上げた直後のように、機械エネルギが大きく、蓄電部からの電圧も高くなる場合には、ブレーキ量を大きくして発電部の回転が押さえられる。また、ゼンマイが解放されて機械エネルギが小さくなって蓄電部からの供給電圧が低くなった場合には、ブレーキ量を小さくあるいは無くして発電部の回転速度を高めて供給電圧を高くする。
【０００９】
この際、発電部の回転制御（ブレーキ制御）は、発電部のコイル両端を短絡可能なスイッチをオン・オフすることなどでチョッパリングすることで行っている。チョッパリングすることで、スイッチをオンした時には、発電部にショートブレーキが掛かり、かつ発電部のコイルにエネルギーがたまる。一方で、スイッチをオフすると、発電部が動作し、前記コイルにたまっていたエネルギー分が含まれるため、起電圧が高まる。このため、発電部をチョッパリングで制御すると、ブレーキ時の発電電力の低下を、スイッチオフ時の起電圧の高まり分で補填でき、発電電力を一定以上に保ちながら制動トルクを増加できる。
【００１０】
従って、蓄電部の供給電圧に基づいて発電部をチョッパリング制御することにより、必要な供給電圧を確保しつつ、ブレーキを掛けてゼンマイ等の機械エネルギの解放スピードを抑えることができるため、機械エネルギを有効利用できて持続時間の長い電源装置を構成することができる。その上、チョッパリングによって昇圧できるため、昇圧用の多数のコンデンサを設ける必要が無く、コストを低減できる。
【００１１】
また、チョッパリングの周波数が、発電部の起電圧波形の周波数を超えるものであり、起電圧波形の周波数の５倍〜１００倍である。
【００１２】
チョッパリング周波数が起電圧波形の周波数より小さいと、起電圧を高める効果が小さくなるため、起電圧波形の周波数を超えることが好ましく、５倍以上であることがより好ましい。
【００１３】
チョッパリング周波数が起電圧波形の１００倍を越えると、チョッパリングするためにＩＣの消費電力が増大し、発電する電力が多くなるため、チョッパリング周波数は起電圧波形の１００倍以下であることが好ましい。さらに、チョッパリング周波数は起電圧波形の５倍〜１００倍であれば、デューティーサイクルの変化率に対するトルク変化率が一定に近くなり、制御も容易になる。
【００１４】
また、前記チョッパ制御回路は、前記蓄電部からの供給電圧が基準電圧と比較して高いときはブレーキデューティ比を大きくし、低いときはブレーキデューティ比を小さくすることが好ましい。例えば、発電部の出力端子間に設けられたスイッチの断続を、このスイッチに印可するチョッパ信号で制御する際に、そのチョッパ信号のデューティ比を供給電圧の大きさで変えれば、電圧の大きさに応じてデューティ比を可変することができ、ブレーキ量を最適に制御できるため、電源装置の持続時間をより一層長くすることができる。
【００１５】
さらに、電源装置において、前記発電部の第１および第２の出力端子と前記蓄電部との間には、前記発電部の出力と同期する第１および第２のスイッチがそれぞれ設けられ、前記第１のスイッチは、前記発電部の第２の出力端子にゲートが接続された第１の電界効果型トランジスタと、この第１の電界効果型トランジスタに並列に接続されて前記チョッパ制御回路で断続される第２の電界効果型トランジスタとで構成され、前記第２のスイッチは、前記発電部の第１の出力端子にゲートが接続された第３の電界効果型トランジスタと、この第３の電界効果型トランジスタに並列に接続されて前記チョッパ制御回路で断続される第４の電界効果型トランジスタとで構成されていることが好ましい。
【００１６】
このような本発明によれば、例えば、発電器の第１の出力端子の極性がプラス「＋」、第２の出力端子の極性がマイナス「−」（第１の出力端子よりも低電位）になると、第２の出力端子にゲートが接続された第１の電界効果型トランジスタ（Ｐｃｈの場合）がオン状態となり、第１の出力端子にゲートが接続された第３の電界効果型トランジスタ（Ｐｃｈの場合）がオフ状態となる。このため、発電器からの交流出力信号は、第１の出力端子、第１の電界効果型トランジスタ、コンデンサ等の蓄電部、第２の出力端子の経路で流れて整流される。
【００１７】
また、第２の出力端子がプラス、第１の出力端子がマイナス（第２の出力端子よりも低電位）になると、第１の出力端子にゲートが接続された第３の電界効果型トランジスタがオン状態となり、第２の出力端子にゲートが接続された第１の電界効果型トランジスタがオフ状態となる。このため、出力信号は、第２の出力端子、第３の電界効果型トランジスタ、コンデンサ等の蓄電部、第１の出力端子の経路で流れて整流される。
【００１８】
この際、第２，４の各電界効果型トランジスタは、そのゲートにチョッパリング信号が入力されることなどでオン、オフ状態を繰り返している。そして、第２，４の各電界効果型トランジスタは、第１，３の各電界効果型トランジスタがオン状態であれば、第２，４の各電界効果型トランジスタのオン、オフ状態に関係なく電流が流れるが、第１，３の電界効果型トランジスタがオフ状態の場合には、第２，４の各電界効果型トランジスタがチョッパ信号でオン状態とされると電流が流れる。従って、オフ状態の第１，３の電界効果型トランジスタの一方に並列接続された第２，４の各電界効果型トランジスタがチョッパ信号でオン状態にされると、第１，２のスイッチの両方がオン状態となり、各交流出力端子が短絡される。
【００１９】
これにより、交流出力信号の電圧をチョッパリングで高めることができるとともに、整流制御は、各交流出力端子にゲートが接続された第１，３の電界効果型トランジスタで行っているので、コンパレータ等を用いる必要がなく、構成が簡単となって部品点数を少なくでき、かつコンパレータの消費電力による充電効率の低下も防止できる。さらに、交流出力端子の電圧を利用して第１，３の電界効果型トランジスタのオン、オフを制御しているので、各交流出力端子の極性に同期して各電界効果型トランジスタを制御することができ、整流効率を向上することができる。その上、ブレーキを発電部の全波に渡って掛けられるため、ブレーキ量を大きくでき、より持続時間を長くできる。
【００２０】
また、電源装置において、蓄電部は、セラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサであることが好ましい。
【００２１】
このような蓄電部を構成するコンデンサとしては、電解コンデンサ等を用いてもよいが、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサを用いれば、繰り返し充放電での性能劣化を少なくでき、電源装置の信頼性を高くでき、かつ製品寿命もより長くすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電源装置の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
本実施形態の電源装置１００は、図１に示すように略円盤状に形成され、図２に示すように、ゼンマイ１ａ、香箱歯車１ｂ、香箱真１ｃ及び香箱蓋１ｄからなる香箱車１を備えている。ゼンマイ１ａは、外端が香箱歯車１ｂ、内端が香箱真１ｃに固定される。香箱真１ｃは、地板２から立設された軸にネジ５で固定されて回転できないようになっている。この地板２には、円板状の文字板４が取り付けられており、この文字板４には、ゼンマイ１ａの巻き量が表示されている。
【００２４】
香箱歯車１ｂの回転は、二番車７に伝達され、さらに三番車８、四番車９、五番車１０、六番車１１、ロータ１２へと順次伝達されて増速されている。なお、三番車８〜ロータ１２は地板２および輪列受け３に軸支され、二番車７は地板２および７番受け１１３に軸支されている。
【００２５】
二番車７の軸７ａには、ゼンマイ１ａを巻くことができ、かつ、そのゼンマイ１ａの残り量を表示する残量表示針１４が取り付けられている。そして、この軸７ａには、香箱歯車１ｂに噛合する歯が形成されている。さらに、軸７ａには、リング状に形成されかつ三番車８に噛合する歯７ｂが軸７ａに嵌合されている。
【００２６】
この電源装置１００は、ロータ１２およびコイルブロック１２１，１３１を含み構成される発電機２０を備えている。ロータ１２は、ロータかな１２ａ、ロータ磁石１２ｂを備えて構成される。
【００２７】
コイルブロック１２１，１３１は、ステータ（コア、磁心）１２３，１３３にコイル１２４，１３４を巻線して構成されたものである。ステータ１２３，１３３は、ロータ１２に隣接して配置されるコアステータ部１２２，１３２と、前記コイル１２４，１３４が巻回されるコア巻線部１２３ｂ、１３３ｂと、互いに連結されるコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａとが一体に形成されて構成されている。
【００２８】
前記各ステータ１２３，１３３つまり各コイル１２４，１３４は互いに平行に配置されている。そして、前記ロータ１２は、コアステータ部１２２，１３２側において、その中心軸が各コイル１２４，１３４間に沿った境界線Ｌ上に配置され、コアステータ部１２２，１３２が前記境界線Ｌに対して左右対称となるように構成されている。ここで、各コイル１２４，１３４の巻数は同数とされている。本実施形態においては、巻数が同数とは、完全に同数の場合だけではなく、コイル全体からは無視できる程度の誤差、例えば数百ターン程度の違いまでをも含むものである。
【００２９】
各ステータ１２３，１３３のロータ１２が配置されたステータ孔１２２ａ，１３２ａには、図２に示すように、位置決め部材６０が配置されている。そして、図１に示すように、各ステータ１２３，１３３の長手方向の中間部分つまりコアステータ部１２２，１３２およびコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａ間に、偏心ピンからなる位置決め治具５５を配置している。
【００３０】
位置決め治具５５は、ビスに類似するが、その軸心を偏心させて地板２に回動可能に軸支したものである。そして、位置決め治具５５の平小ネジ状の頭部でステータ１２３，１３３の上面を押えつつこれを回動することで、各ステータ１２３，１３３のコアステータ部１２２，１３２を位置決め部材６０に当接させ、その位置合わせを正確にかつ簡単に行うことができる。また、コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａの側面同士を確実に接触させることができる。
【００３１】
なお、位置決め治具５５は、鉄等の金属材で構成されている。また、例えば、位置決め部材６０が設けられていない場合等には、ステータ１２３，１３３の位置を微調整する際に、前記位置決め治具５５を用いてもよい。位置決め後は、ステータ１２３，１３３をビス２１等を用いて固定すればよい。
【００３２】
なお、各ステータ１２３，１３３のコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａは、その側面が当接されて互いに連結されている。また、コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａの下面は、各コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａに跨って配置された図略のヨークに接触されている。これにより、コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａでは、各コア磁気導通部１２３ａ，１３３ａの側面部分を通る磁気導通経路と、コア磁気導通部の下面およびヨークを通る磁気導通経路との２つの磁気導通経路が形成され、ステータ１２３，１３３は環状の磁気回路を形成している。各コイル１２４，１３４は、ステータ１２３，１３３のコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａからコアステータ部１２２，１３２に向かう方向と同方向に巻線されている。
【００３３】
これらの各コイル１２４，１３４の端部は、ステータ１２３，１３３のコア磁気導通部１２３ａ，１３３ａ上に設けられた図示しないコイルリード基板に接続されている。
【００３４】
このように構成された電源装置１００を使用している場合、各コイル１２４，１３４に外部磁界Ｈ（図１）が加わると、外部磁界Ｈは平行に配置された各コイル１２４，１３４に対して同方向に加わるため、各コイル１２４，１３４の巻線方向に対しては外部磁界Ｈは互いに逆方向に加わることになる。このため、外部磁界Ｈによって各コイル１２４，１３４で発生する起電圧は互いに打ち消し合うように働くため、その影響を軽減できる。
【００３５】
次に、このような電源装置１００の制御回路について、図３〜６を参照して説明する。
【００３６】
図３には、本実施形態の機能を示すブロック図が示されている。
【００３７】
発電機２０は、増速輪列７〜１１を介してゼンマイ１ａによって駆動され、誘起電力を発生して電気的エネルギを供給する。この発電機２０からの交流出力は、全波整流、半波整流、トランジスタ整流等からなる整流器３５を通して整流され、蓄電部であるコンデンサ３６に充電される。
【００３８】
コンデンサ３６には、プラスおよびマイナスの各出力端子３６ａ，３６ｂが設けられ、この各出力端子３６ａ，３６ｂから外部の機器に電力を供給できるように構成されている。
【００３９】
そして、コンデンサ３６から供給される電圧は、コンパレータ等からなる比較器３７によって、予め、基準電圧が設定された基準電圧発生回路３８からの電圧と比較され、この比較器３７からの信号が後述するチョッパ制御回路１８０に出力されるようになっている。なお、コンデンサ３６は、繰り返し充、放電しても性能の劣化がないように、セラミックコンデンサあるいはフィルムコンデンサであることが好ましい。
【００４０】
また、本実施形態では、整流器３５を含むブレーキ回路７０を発電機２０に設けている。具体的には、図４にも示すように、発電機２０の出力端である第１の出力端子ＭＧ１、第２の出力端子ＭＧ２を短絡させてショートブレーキを掛ける第１および第２のスイッチ７１，７２によりブレーキ回路７０が構成されている。
【００４１】
本実施形態では、第１のスイッチ７１は、第２の出力端子ＭＧ２にゲートが接続されたＰｃｈの第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６と、後述するチョッパ制御回路１８０からのチョッパ信号（チョッパパルス）ＣＨ３がゲートに入力される第２の電界効果型トランジスタ７７とが並列に接続されて構成されている。
【００４２】
また、第２のスイッチ７２は、第１の出力端子ＭＧ１にゲートが接続されたＰｃｈの第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８と、チョッパ制御回路１８０からのチョッパ信号（チョッパパルス）ＣＨ３がゲートに入力される第４の電界効果型トランジスタ７９とが並列に接続されて構成されている。
【００４３】
そして、発電機２０に接続された２つのダイオード７５，７５、第１のスイッチ７１、第２のスイッチ７２により整流器（簡易同期チョッパ整流器）３５が構成されている。なお、ダイオード７５としては、一方向に電流を流す一方向性素子であればよく、その種類は問わない。特に、ダイオード７５として降下電圧Ｖｆが小さいショットキーバリアダイオードを用いれば、電源装置１００に、起電圧が小さくて小型の発電機２０を用いることができる。
【００４４】
前記ブレーキ回路７０は、チョッパ制御回路１８０により制御されている。
【００４５】
このチョッパ制御回路１８０は、比較器３７の出力つまりコンデンサ３６の電圧が基準電圧よりも大きいか否かを表す信号によって、矩形波パルスであるチョッパ信号ＣＨ３のデューティ比を変えるように構成されている。そして、チョッパ制御回路１８０からの出力ＣＨ３は、第２，４の電界効果型トランジスタ７７、７９のゲートに入力されるようになっている。
【００４６】
すなわち、チョッパ出力ＣＨ３がＬレベルの間は、トランジスタ７７，７９はオン状態に維持され、発電機２０がショートされてブレーキが掛かる。一方、チョッパ出力ＣＨ３がＨレベルの間は、トランジスタ７７，７９はオフ状態に維持され、発電機２０にはブレーキが加わらない。このように、出力ＣＨ３からのチョッパ信号によって発電機２０をチョッパリング制御することができる。
【００４７】
次に、本実施形態における動作を図５のタイミングチャートと、図６のフローチャートとを参照して説明する。
【００４８】
発電機２０が作動し始めると、コンデンサ３６からの供給電圧と、基準電圧発生回路３８からの基準電圧（例えば３Ｖ）とが、比較器３７で比較される（Ｓ１１）。
【００４９】
そして、コンデンサ３６からの供給電圧Ｖｓｓが基準電圧３Ｖより大きい場合には、図５に示すように、Ｌレベル信号（ブレーキオン時間）の期間が徐々に長くなるように、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比（トランジスタ７７，７９をオンしている比率）が徐々に大きくされる（Ｓ１２）。従って、基準周期におけるブレーキオン時間が長くなり、発電機２０に対してはブレーキオン制御が行われるが、一定周期でブレーキがオフされるためにチョッパリング制御が行われ、発電電力の低下を抑えつつ制動トルクを向上することができる。
【００５０】
一方、コンデンサ３６からの電圧Ｖｓｓが基準電圧（３Ｖ）以下の場合には、、Ｈレベル信号（ブレーキオフ時間）の期間が徐々に長くなるように、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比が徐々に小さくされる（Ｓ１３）。従って、基準周期におけるブレーキオン時間が短くなり、発電機２０に対しては、ブレーキ量の小さな、つまり発電電力を優先したブレーキオフ制御が行われる。この際、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比の可変割合は、実施時に適宜設定すればよい。
【００５１】
なお、整流器３５では、次のようにして発電機２０で発電した電荷を電源回路３６に充電している。すなわち、第１の端子ＭＧ１の極性が「＋」で第２の端子ＭＧ２の極性が「−」の時には、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオンされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオフされる。このため、発電機２０で発生した誘起電圧の電荷は、図４に示す「▲５▼→▲６▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲８▼」の回路によってコンデンサ３６に充電される。
【００５２】
一方、第１の端子ＭＧ１の極性が「−」で第２の端子ＭＧ２の極性が「＋」に切り替わると、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオフされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオンされる。このため、図４に示す「▲８▼→▲７▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼→▲５▼」の回路によってコンデンサ３６が充電される。
【００５３】
なお、各々の状態で、チョッパパルスにより発電機２０の両端が短絡され、開放されると、コイルの両端に高電圧が誘起され、この高い充電電圧によってコンデンサ３６を充電することで充電効率が向上する。
【００５４】
このようなチョッパリング制御による発電電流と発電機回転スピードとの関係が、図７に表示されている。この図７に示すように、チョッパリング制御によるデータ８１は、チョッパリング制御を行わない従来のデータ８２と比較して緩やかな曲線状となっている。このため、例えば所定の発電電流Ａを得るのに、チョッパリング制御では、回転数Ｂ１で足りるが、従来ではＢ１よりも大きなＢ２の回転数を必要としている。つまり、チョッパリング制御によればゼンマイ１ａの解放速度を遅くできて持続時間が長くなり、機械エネルギの有効活用が可能となる。
【００５５】
このような本実施形態によれば次のような効果がある。
【００５６】
１）発電機２０のブレーキ制御をチョッパリング制御により行っているので、ブレーキ時の発電電力の低下を、スイッチオフ時の起電圧の高まり分で補填でき、発電電力を一定以上に保ちながら制動トルクを増加できる。このため、発電機２０の両端を短絡した際の電流を熱として消費せずに有効利用できるので、機械エネルギを有効に利用することができ、ゼンマイ１ａ（機械エネルギ蓄積手段）の持続時間を長くでき、電源装置１００を長時間動作することができる。
【００５７】
その上、チョッパリングによって昇圧できるため、一般的な昇圧回路のように多数のコンデンサを設ける必要がなく、コストも低減できる。
【００５８】
２）ブレーキ量の調整を、チョッパ信号ＣＨ３のデューティ比を変えることで行っているので、充電電圧（発電電圧）を低下させることなくブレーキ（制動トルク）を大きくすることができる。特に、ブレーキオン時にはデューティ比の大きなチョッパ信号を用いて制御しているので、充電電圧の低下を抑えながら制動トルクを大きくすることができ、システムの安定性を維持しながら、効率的なブレーキ制御を行うことができる。これにより、電源装置１００の持続時間もより長くすることができる。
【００５９】
３）ブレーキオフ制御時にも、デューティ比の小さなチョッパ信号によりチョッパ制御しているので、ブレーキをオフしている間の充電電圧をより向上することができる。つまり、発電機２０の全波に対してチョッパブレーキを掛けることができるため、半波に対してのみ掛ける場合に比べてブレーキ量を大きくすることができ、持続時間をより長くできる。
【００６０】
４）ブレーキ量の調整は、電圧が３Ｖ以上か、３Ｖ以下であるかのみで設定され、ブレーキ時間等を別途設定する必要もないため、比較器３７をシンプルな構成にでき、部品コストや製造コストを低減でき、電源装置１００を安価に提供できる。
【００６１】
その上、コンデンサ３６の供給電圧に応じてデューティ比を複数段階に切り換えることができるため、発電電圧つまり発電機２０のロータ１２の回転速度に応じてブレーキ量を最適に制御できるため、電源装置１００をより効果的に制御できて持続時間をより一層長くすることができる。
【００６２】
５）発電機２０の整流制御は、各端子ＭＧ１，ＭＧ２にゲートが接続された第１，３の電界効果型トランジスタ７６，７８で行っているので、コンパレータ等を用いる必要が無く、構成が簡単になり、かつコンパレータの消費電力による充電効率の低下も防止できる。さらに、発電機２０の端子電圧を利用して電界効果型トランジスタ７６，７８のオン、オフを制御しているので、発電機２０の端子の極性に同期して各電界効果型トランジスタ７６，７８を制御することができ、整流効率を向上することができる。また、チョッパリング制御される第２，４の電界効果型トランジスタ７７，７９を各トランジスタ７６，７８に並列に接続することで、チョッパリング制御を独立して行うことができ、かつ構成も簡易にできる。従って、構成が簡易で、発電機２０の極性に同期しながらチョッパ整流を行える整流器（簡易同期チョッパ整流器）３５を提供することができる。
【００６３】
６）ゼンマイ１ａによって発電機２０や残量表示針１４を回転駆動しているので、従来の電池式電源装置やＡＣ電源式電源装置に比べて、電池交換や電源コード等を不要にでき、使い勝手のよい電源装置にすることができる。
【００６４】
特に、本実施形態では、発電機２０で発電された電力でチョッパ制御回路１８０を駆動しているため、各種電池を設ける必要が無く、電池交換が必要無く、電源装置１００の使い勝手を向上することができる。
【００６５】
７）電池が無いために、電源装置１００を廃棄する際に電池を取り除く必要が無く、廃棄作業も容易に行える。さらに、太陽電池や熱発電素子のような高価な電池を設ける必要がないため、電源装置１００を安価に提供できる。
【００６６】
８）ステータ１２３，１３３が同一形状であるため、同一部品を表裏にして組立てることができ、部品を共用でき、部品数を削減できる。このため、製造コストや部品コストを低減でき、取り扱いも容易にできる。
【００６７】
その上、同一形状のステータ１２３，１３３を左右対称に配置し、かつ各ステータ１２３，１３３のコイル１２４，１３４の巻回数が同じであるため、電源装置１００の外部に発生するＡＣノイズ等による磁束は二本のコイル１２４，１３４内を同数流れ、これによって外部ノイズの影響をキャンセルすることができ、ノイズに強い電源装置１００を形成できる。
【００６８】
次に、図８に基づいて本発明の第２実施形態を説明する。
【００６９】
本実施形態では、前記第１実施形態の整流器３５にさらに昇圧用のコンデンサ７３を追加した整流器３５’を用いたものである。この実施形態においては、前記第１実施形態の整流回路３５と同一部品には同一符号を付すとともに、その詳細な説明は省略または簡略化し、異なる部分の説明をする。
【００７０】
図８に示すように、本実施形態の整流器３５’は、前記第１実施形態の整流器３５の第１の端子側のダイオード７５に替えて、昇圧用コンデンサ７３とダイオード７４とが配置されている。そして、発電機２０に接続されたダイオード７４，７５、第１のスイッチ７１、第２のスイッチ７２および昇圧用コンデンサ７３により整流器（簡易同期昇圧チョッパ整流器）３５’が構成されている。
【００７１】
このような整流器（簡易同期昇圧チョッパ整流器）３５’では、次のようにして発電機２０で発電した電荷を電源回路３６に充電している。すなわち、第１の端子ＭＧ１の極性が「＋」で第２の端子ＭＧ２の極性が「−」の時には、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオンされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオフされる。このため、発電機２０で発生した誘起電圧の電荷は、図８に示す「▲５▼→▲４▼→▲３▼→▲８▼」の回路によってコンデンサ７３に充電されるとともに、「▲５▼→▲６▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲８▼」の回路によってコンデンサ３６に充電される。
【００７２】
一方、第１の端子ＭＧ１の極性が「−」で第２の端子ＭＧ２の極性が「＋」に切り替わると、第１の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７６がオフされ、第３の電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）７８がオンされる。このため、図８に示す「コンデンサ７３→▲５▼→▲８▼→▲７▼→▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲４▼」の回路によって、発電機２０で発生した誘起電圧と、コンデンサ７３の充電電圧とが加えられた電圧でコンデンサ３６が充電される。その他の制御や作用効果は前記第１実施形態と同じであるので説明を省略する。
【００７３】
このような本実施形態においても、前記第１実施形態の１）〜８）の作用効果を奏することができる。
【００７４】
その上、９）昇圧用コンデンサ７３を備えた簡易同期昇圧チョッパ整流器３５’を用いているので、発電機２０の発電起電圧を低く設定することができる。このため、発電機２０のコイル１２４，１３４の巻数を低減でき、発電機２０の小型化や鉄損の低減、ゼンマイ１ａの小型化を実現できる。これにより、電源装置１００を小型化でき、かつ小さいトルクで動作するためにゼンマイ１ａ等の機械エネルギ蓄積手段の寿命を向上できて電源装置１００の持続時間もより一層長くすることができる。
【００７５】
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００７６】
例えば、発電機２０としては、コアのある発電機以外に、電力消費量の多いとき、図９に示すように、コアのない電源装置（コアレス発電機）９５を用いてもよい。電源装置９５は、ロータ９０の上下に取り付けられた１対のほぼ円筒形のバックヨーク９１と、その内側に取り付けられたディスク状の磁石９２を備えており、これらの間に基板９５の上に形成されたコイル９３を持ったステータ９４を挟み込んで構成されている。ステータ９４を形成する磁気回路に鉄損を発生するステータコイルがないため、損失を小さくすることができる。また、この発電器は、磁束に対し巻数を少なくできるため、コイル抵抗による損失も少なく、大電流を取り出しやすい。ただし、ステータ９４の両側にロータが配置されるため、装置に組み込む際には若干の厚みが必要となる。従って、ある程度の厚みが許容される電源装置には好適となる。
【００７７】
また、ステータは、一体型のものなどでもよく、ステータの形状、構造などは実施にあたって適宜設定すればよい。
【００７８】
さらに、機械エネルギ蓄積手段としては、ゼンマイ１ａに限らず、板ばねや重りなどを用いてもよく、要するに機械エネルギ（弾性エネルギや位置エネルギなど）を蓄積できるものであればよい。また、ゼンマイ１ａ等の機械的エネルギ蓄積手段に機械的エネルギを入力する手段としては、前記残量表示針１４やそれ以外の手巻き装置を用いてもよいし、回転錘などを用いた自動巻き装置を用いてもよい。
【００７９】
また、交流発電機に限らず、直流発電機を用いてもよい。直流発電機の場合、例えば、ブラシモータを回転する場合にも、電圧を検出して判断すればよい。なお、直流発電機の場合には、整流回路は無くてもよい。
【００８０】
また、前記実施形態では、電源装置１００に残量表示針１４を設けて電源として利用できる持続時間を指示していたが、例えば、発電機２０にブレーキを掛けない状態でもコンデンサ３６で必要な電圧が得られなくなった際に電気的なブザーや表示針１４が原点に戻ることで作動されるハンマーでベルを叩くことなどでアラームを鳴らして電源装置の出力が低下することを知らせてもよいし、音を鳴らす代わりに、ランプなどを点灯させたりしてもよい。さらに、電源装置１００がコンピュータや携帯電話などの各種機器に組み込まれている場合には、電圧低下時にその機器のスイッチを自動的にオフするように作動してもよい。
【００８１】
さらに、前記チョッパ制御回路によって前記スイッチ７１，７２を断続するチョッパリング周波数は、実施に当たって適宜設定すればよいが、発電機２０の起電圧波形の５倍以上の周波数であることが好ましく、起電圧波形の５倍〜１００倍であることがより好ましい。
【００８２】
チョッパリング周波数が起電圧波形の５倍よりも小さいと、起電圧を高める効果が小さくなるため、起電圧波形の５倍以上であることが好ましい。
【００８３】
また、チョッパリング周波数が起電圧波形の１００倍を越えると、チョッパリングするためにＩＣの消費電力が増大し、発電する電力が多くなるため、チョッパリング周波数は起電圧波形の１００倍以下であることが好ましい。さらに、チョッパリング周波数は起電圧波形の５倍〜１００倍であれば、デューティーサイクルの変化率に対するトルク変化率が一定に近くなり、制御も容易になる。
【００８４】
また、蓄電部としてはコンデンサ３６に限らず、二次電池等を用いてもよい。
【００８５】
さらに、本発明の電源装置１００は、一次電池（単一〜単四等の乾電池やボタン型電池）と同じ形状にして電池の代わりに用いてもよい。また、各種時計、携帯型の血圧計、携帯電話機、ページャ、万歩計、電卓、携帯用パーソナルコンピュータ、電子手帳、携帯ラジオ等の電源として組み込んでも使用してもよい。
【００８６】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明の電源装置によれば、コストを安くできるとともに、ゼンマイ等に蓄積されたエネルギを有効に活用して持続時間を長くできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における電源装置を示す平面図である。
【図２】本実施形態の電源装置の要部を示す断面図である。
【図３】本実施形態における電源装置の制御回路の構成を示すブロック図である。
【図４】本実施形態の制御回路の構成を示す回路図である。
【図５】本実施形態のチョッパ制御のタイミングチャートである。
【図６】本実施形態の制御方法を示すフローチャートである。
【図７】本実施形態の発電電流と発電機の回転スピードとの関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態の制御回路の構成を示す回路図である。
【図９】本発明の変形形態の電源装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１香箱車
１ａゼンマイ
１ｂ香箱歯車
２地板
４文字板
７二番車
８三番車
９四番車
１０五番車
１１六番車
１２ロータ
１２ａロータかな
１２ｂロータ磁石
１４残量表示針
２０発電部である発電機
３５整流器
３６蓄電部であるコンデンサ
３７比較器
３８基準電圧発生回路
７０ブレーキ回路
７１，７２スイッチ
７３昇圧用コンデンサ
７４，７５ダイオード
７７〜７９電界効果型トランジスタ
１００電源装置
１２１，１３１コイルブロック
１２２ａ，１３２ａステータ孔
１２２，１３２コアステータ部
１２３，１３３ステータ
１２３ａ，１３３ａコア磁気導通部
１２３ｂ，１３３ｂコア巻線部
１２４，１３４コイル
１８０チョッパ制御回路[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply device for generating power while gradually extracting mechanical energy stored in mechanical energy storage means such as a mainspring and supplying the power to the outside.
[0002]
[Background Art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a power supply device that generates power while gradually extracting mechanical energy stored in a mainspring or the like and supplies the power to the outside.
[0003]
In such a power supply device, it is necessary to effectively utilize the energy stored in the mainspring or the like to extend the duration, and various measures have been devised for that purpose. For example, according to the power generator of Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-75874, the voltage of the power supply is detected, and when the voltage is high, the release speed of the mainspring is increased by increasing the number of boosting stages or by short-circuiting both ends of the coil. Save energy by slowing down.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional power generator, a large number of capacitors are required to switch the number of boosting stages in order to increase the number of boosting stages.
[0005]
Further, when both ends of the coil are short-circuited, there is a problem that the flowing current becomes only heat and cannot be effectively used as electric energy.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a power supply device that can reduce the cost and extend the duration time by effectively utilizing the energy stored in a spring or the like.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The power supply device of the present invention includes a power generation unit that converts mechanical energy stored in mechanical energy storage means into electric energy, a power storage unit that charges power from the power generation unit and supplies the power to the outside, A chopper control circuit that controls the rotation speed of the power generation unit based on a supply voltage by applying a brake to the power generation unit by choppering.The frequency of the chopper ring is 5 to 100 times the frequency of the electromotive voltage waveform of the power generation unit.It is characterized by the following.
[0008]
In the power supply device of the present invention, the power generation unit is driven by the energy stored in the mechanical energy storage means such as a mainspring, and the chopper control circuit applies a brake to the power generation unit based on the voltage supplied from the power storage unit to thereby control the rotor and the like. Governing the release rate of the mechanical energy source. Therefore, for example, when the mechanical energy is large and the voltage from the power storage unit is high, for example, immediately after the mainspring is wound up, the rotation of the power generation unit is suppressed by increasing the brake amount. When the mainspring is released and the mechanical energy is reduced to lower the supply voltage from the power storage unit, the braking amount is reduced or eliminated, and the rotation speed of the power generation unit is increased to increase the supply voltage.
[0009]
At this time, the rotation control (brake control) of the power generation unit is performed by choppering by turning on / off a switch capable of short-circuiting both ends of the coil of the power generation unit. By choppering, when the switch is turned on, a short brake is applied to the power generation unit, and energy is accumulated in the coil of the power generation unit. On the other hand, when the switch is turned off, the power generation unit operates, and the energy accumulated in the coil is included, so that the electromotive voltage increases. For this reason, when the power generation unit is controlled by choppering, a decrease in the generated power during braking can be compensated for by an increase in the electromotive voltage when the switch is turned off, and the braking torque can be increased while maintaining the generated power at or above a certain level.
[0010]
Therefore, by performing choppering control of the power generation unit based on the supply voltage of the power storage unit, it is possible to secure the necessary supply voltage and to suppress the release speed of mechanical energy such as the mainspring by applying a brake. And a power supply device having a long duration can be configured. In addition, since the voltage can be boosted by choppering, there is no need to provide a large number of capacitors for boosting, and the cost can be reduced.
[0011]
In addition, the frequency of the chopper ring exceeds the frequency of the electromotive voltage waveform of the power generation unit, and is 5 to 100 times the frequency of the electromotive voltage waveform.
[0012]
If the chopper ring frequency is lower than the frequency of the electromotive voltage waveform, the effect of increasing the electromotive voltage is reduced. Therefore, the frequency is preferably higher than the frequency of the electromotive voltage waveform, and more preferably 5 times or more.
[0013]
If the choppering frequency exceeds 100 times the electromotive voltage waveform, the power consumption of the IC increases due to choppering, and the generated power increases. Therefore, the choppering frequency may be 100 times or less the electromotive voltage waveform. preferable. Further, if the choppering frequency is 5 to 100 times the electromotive voltage waveform, the rate of change of the torque with respect to the rate of change of the duty cycle becomes close to constant, and control becomes easy.
[0014]
Preferably, the chopper control circuit increases the brake duty ratio when the supply voltage from the power storage unit is higher than the reference voltage, and decreases the brake duty ratio when the supply voltage is lower than the reference voltage. For example, when the on / off of a switch provided between the output terminals of the power generation unit is controlled by a chopper signal applied to this switch, if the duty ratio of the chopper signal is changed by the magnitude of the supply voltage, the magnitude of the voltage is , The duty ratio can be varied in accordance with the above, and the brake amount can be optimally controlled, so that the duration of the power supply device can be further lengthened.
[0015]
Further, in the power supply device, first and second switches synchronized with an output of the power generation unit are provided between first and second output terminals of the power generation unit and the power storage unit, respectively. A first switch is connected to a first field-effect transistor having a gate connected to a second output terminal of the power generation unit, and is connected in parallel to the first field-effect transistor and is switched on and off by the chopper control circuit. A second field effect transistor having a gate connected to a first output terminal of the power generation unit; and a third field effect transistor having a gate connected to a first output terminal of the power generation unit. And a fourth field-effect transistor connected in parallel with the transistor and connected and disconnected by the chopper control circuit.
[0016]
According to the present invention, for example, the polarity of the first output terminal of the generator is plus “+”, and the polarity of the second output terminal is minus “−” (lower potential than the first output terminal). , The first field-effect transistor (in the case of Pch) whose gate is connected to the second output terminal is turned on, and the third field-effect transistor (gate whose gate is connected to the first output terminal) is turned on. Pch) is turned off. For this reason, the AC output signal from the generator flows through the path of the first output terminal, the first field-effect transistor, a power storage unit such as a capacitor, and the second output terminal, and is rectified.
[0017]
When the second output terminal becomes positive and the first output terminal becomes negative (potential lower than the second output terminal), the third field-effect transistor having the gate connected to the first output terminal is activated. The transistor is turned on, and the first field-effect transistor whose gate is connected to the second output terminal is turned off. Therefore, the output signal flows through the path of the second output terminal, the third field-effect transistor, a power storage unit such as a capacitor, and the first output terminal, and is rectified.
[0018]
At this time, each of the second and fourth field-effect transistors repeatedly turns on and off due to the input of a chopper signal to the gate. If the first and third field effect transistors are in the on state, the second and fourth field effect transistors will have currents irrespective of the on and off states of the second and fourth field effect transistors. However, when the first and third field-effect transistors are off, current flows when each of the second and fourth field-effect transistors is turned on by a chopper signal. Therefore, when each of the second and fourth field effect transistors connected in parallel to one of the first and third field effect transistors in the off state is turned on by the chopper signal, both the first and second switches are turned on. Is turned on, and each AC output terminal is short-circuited.
[0019]
As a result, the voltage of the AC output signal can be increased by choppering, and the rectification control is performed by the first and third field-effect transistors whose gates are connected to the respective AC output terminals. There is no need to use it, the configuration is simplified, the number of components can be reduced, and a decrease in charging efficiency due to power consumption of the comparator can be prevented. Furthermore, since the on and off of the first and third field effect transistors are controlled using the voltage of the AC output terminal, each field effect transistor is controlled in synchronization with the polarity of each AC output terminal. Rectification efficiency can be improved. In addition, since the brake can be applied over the entire wave of the power generation unit, the brake amount can be increased, and the duration can be further increased.
[0020]
In the power supply device, the power storage unit is preferably a ceramic capacitor or a film capacitor.
[0021]
As a capacitor constituting such a power storage unit, an electrolytic capacitor or the like may be used.However, if a ceramic capacitor or a film capacitor is used, performance deterioration due to repeated charging and discharging can be reduced, and the reliability of the power supply device can be increased. In addition, the product life can be prolonged.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of a power supply device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
The power supply device 100 of the present embodiment is formed in a substantially disc shape as shown in FIG. 1, and includes a barrel car 1 composed of a mainspring 1a, a barrel gear 1b, a barrel barrel 1c and a barrel lid 1d as shown in FIG. ing. The outer end of the mainspring 1a is fixed to the barrel gear 1b, and the inner end is fixed to the barrel barrel 1c. The barrel 1c is fixed to a shaft erected from the main plate 2 with screws 5 so that it cannot be rotated. A disk-shaped dial 4 is attached to the base plate 2, and the dial 4 displays the winding amount of the mainspring 1a.
[0024]
The rotation of the barrel gear 1b is transmitted to the second wheel & pinion 7, and further transmitted to the third wheel & pinion 8, fourth wheel & fifth wheel & fifth wheel & sixth wheel & 11, and the rotor 12 to increase the speed. Note that the third wheel & pinion 8 to the rotor 12 are supported by the main plate 2 and the wheel train bearing 3, and the second wheel & pinion 7 is supported by the main plate 2 and the seventh wheel receiver 113.
[0025]
The shaft 7a of the second wheel & pinion 7 is wound with a mainspring 1a, and is attached with a remaining amount indicating hand 14 for displaying the remaining amount of the mainspring 1a. The shaft 7a is formed with teeth that mesh with the barrel gear 1b. Further, teeth 7b formed in a ring shape and meshing with the third wheel & pinion 8 are fitted to the shaft 7a.
[0026]
The power supply device 100 includes a generator 20 including the rotor 12 and the coil blocks 121 and 131. The rotor 12 includes a rotor pinion 12a and a rotor magnet 12b.
[0027]
The coil blocks 121 and 131 are configured by winding coils 124 and 134 around stators (cores, magnetic cores) 123 and 133. The stators 123 and 133 include core stator portions 122 and 132 disposed adjacent to the rotor 12, core winding portions 123b and 133b around which the coils 124 and 134 are wound, and core magnetic conduction portions 123a connected to each other. , 133a are integrally formed.
[0028]
The stators 123 and 133, that is, the coils 124 and 134 are arranged in parallel with each other. The center axis of the rotor 12 is disposed on the boundary line L between the coils 124 and 134 on the core stator portions 122 and 132, and the core stator portions 122 and 132 are left and right with respect to the boundary line L. It is configured to be symmetric. Here, the number of turns of each of the coils 124 and 134 is the same. In the present embodiment, the number of turns is not limited to the case where the number of turns is completely the same, but also includes an error that can be ignored from the entire coil, for example, a difference of about several hundred turns.
[0029]
As shown in FIG. 2, a positioning member 60 is disposed in the stator holes 122a and 132a in which the rotors 12 of the stators 123 and 133 are disposed. Then, as shown in FIG. 1, a positioning jig 55 composed of an eccentric pin is arranged at an intermediate portion in the longitudinal direction of each of the stators 123 and 133, that is, between the core stator portions 122 and 132 and the core magnetic conducting portions 123a and 133a. .
[0030]
The positioning jig 55 is similar to a screw, but has an eccentric axis and is rotatably supported on the main plate 2. By rotating the stator 123, 133 while pressing the upper surface of the stator 123, 133 with the flat screw-shaped head of the positioning jig 55, the core stator portions 122, 132 of the stators 123, 133 abut on the positioning member 60. And the alignment can be performed accurately and easily. Further, the side surfaces of the core magnetic conduction portions 123a and 133a can be reliably brought into contact with each other.
[0031]
The positioning jig 55 is made of a metal material such as iron. For example, when the positioning member 60 is not provided, the positioning jig 55 may be used when finely adjusting the positions of the stators 123 and 133. After positioning, the stators 123 and 133 may be fixed using screws 21 or the like.
[0032]
The core magnetic conduction portions 123a and 133a of the stators 123 and 133 are connected to each other with their side surfaces in contact. In addition, the lower surfaces of the core magnetic conduction portions 123a and 133a are in contact with a yoke (not shown) disposed across the core magnetic conduction portions 123a and 133a. As a result, in the core magnetic conduction portions 123a and 133a, two magnetic conduction paths, that is, a magnetic conduction path passing through the side surface portions of the core magnetic conduction portions 123a and 133a and a magnetic conduction path passing through the lower surface of the core magnetic conduction portion and the yoke. Are formed, and the stators 123 and 133 form an annular magnetic circuit. The coils 124 and 134 are wound in the same direction as the direction from the core magnetic conducting portions 123a and 133a of the stators 123 and 133 to the core stator portions 122 and 132.
[0033]
The ends of these coils 124 and 134 are connected to a coil lead board (not shown) provided on the core magnetic conducting portions 123a and 133a of the stators 123 and 133.
[0034]
In the case where the power supply device 100 configured as described above is used, when an external magnetic field H (FIG. 1) is applied to each of the coils 124 and 134, the external magnetic field H is applied to each of the coils 124 and 134 arranged in parallel. Since the external magnetic fields H are applied in the same direction, the external magnetic fields H are applied in opposite directions to the winding directions of the coils 124 and 134. For this reason, the electromotive voltages generated in the coils 124 and 134 due to the external magnetic field H work so as to cancel each other out, so that the influence can be reduced.
[0035]
Next, a control circuit of such a power supply device 100 will be described with reference to FIGS.
[0036]
FIG. 3 is a block diagram showing the functions of the present embodiment.
[0037]
The generator 20 is driven by the mainspring 1a via the speed increasing trains 7 to 11, generates induced power, and supplies electric energy. The AC output from the generator 20 is rectified through a rectifier 35 including full-wave rectification, half-wave rectification, transistor rectification, and the like, and charged in a capacitor 36 serving as a power storage unit.
[0038]
The capacitor 36 is provided with positive and negative output terminals 36a and 36b, and is configured so that power can be supplied from the output terminals 36a and 36b to an external device.
[0039]
The voltage supplied from the capacitor 36 is compared with a voltage from a reference voltage generation circuit 38 in which a reference voltage is set in advance by a comparator 37 such as a comparator, and a signal from the comparator 37 will be described later. The signal is output to the chopper control circuit 180. Note that the capacitor 36 is preferably a ceramic capacitor or a film capacitor so that the performance is not deteriorated even when repeatedly charged and discharged.
[0040]
In the present embodiment, a brake circuit 70 including the rectifier 35 is provided in the generator 20. Specifically, as shown in FIG. 4, first and second switches 71 that short-circuit first output terminal MG1 and second output terminal MG2 that are output terminals of generator 20 to apply a short brake. , 72 constitute a brake circuit 70.
[0041]
In the present embodiment, the first switch 71 includes a Pch first field effect transistor (FET) 76 having a gate connected to the second output terminal MG2, and a chopper signal (a chopper control circuit 180 to be described later). A second field-effect transistor 77 having a gate to which a chopper pulse (CH3) is input is connected in parallel.
[0042]
The second switch 72 receives a Pch third field-effect transistor (FET) 78 whose gate is connected to the first output terminal MG1 and a chopper signal (chopper pulse) CH3 from the chopper control circuit 180. A fourth field-effect transistor 79 input to the gate is connected in parallel.
[0043]
A rectifier (simple synchronous chopper rectifier) 35 is configured by the two diodes 75, 75, the first switch 71, and the second switch 72 connected to the generator 20. Note that the diode 75 may be a unidirectional element that allows a current to flow in one direction, and the type thereof is not limited. In particular, if a Schottky barrier diode having a small drop voltage Vf is used as the diode 75, a small generator 20 having a small electromotive voltage can be used for the power supply device 100.
[0044]
The brake circuit 70 is controlled by a chopper control circuit 180.
[0045]
The chopper control circuit 180 is configured to change the duty ratio of the chopper signal CH3, which is a rectangular pulse, according to the output of the comparator 37, that is, a signal indicating whether or not the voltage of the capacitor 36 is higher than the reference voltage. . The output CH3 from the chopper control circuit 180 is input to the gates of the second and fourth field effect transistors 77 and 79.
[0046]
That is, while the chopper output CH3 is at the L level, the transistors 77 and 79 are maintained in the ON state, the generator 20 is short-circuited, and the brake is applied. On the other hand, while the chopper output CH3 is at the H level, the transistors 77 and 79 are maintained in the off state, and the brake is not applied to the generator 20. Thus, the chopper ring control of the generator 20 can be performed by the chopper signal from the output CH3.
[0047]
Next, the operation in the present embodiment will be described with reference to the timing chart of FIG. 5 and the flowchart of FIG.
[0048]
When the generator 20 starts to operate, the comparator 37 compares the supply voltage from the capacitor 36 with the reference voltage (for example, 3 V) from the reference voltage generation circuit 38 (S11).
[0049]
When the supply voltage Vss from the capacitor 36 is higher than the reference voltage 3V, as shown in FIG. 5, the duty ratio of the chopper signal CH3 is set so that the period of the L level signal (brake-on time) gradually increases. (Ratio of turning on the transistors 77 and 79) is gradually increased (S12). Therefore, the brake-on time in the reference cycle becomes longer, and the brake-on control is performed on the generator 20. However, since the brake is turned off at a fixed cycle, the choppering control is performed, and the decrease in the generated power is suppressed. Further, the braking torque can be improved.
[0050]
On the other hand, when the voltage Vss from the capacitor 36 is equal to or lower than the reference voltage (3 V), the duty ratio of the chopper signal CH3 is gradually reduced so that the period of the H level signal (brake off time) gradually increases. (S13). Therefore, the brake-on time in the reference cycle is shortened, and the brake-off control is performed on the generator 20 with a small brake amount, that is, with priority given to the generated power. At this time, the variable ratio of the duty ratio of the chopper signal CH3 may be appropriately set at the time of implementation.
[0051]
In the rectifier 35, the electric power generated by the generator 20 is charged in the power supply circuit 36 as follows. That is, when the polarity of the first terminal MG1 is “+” and the polarity of the second terminal MG2 is “−”, the first field-effect transistor (FET) 76 is turned on, and the third field-effect transistor is turned on. (FET) 78 is turned off. For this reason, the electric charge of the induced voltage generated in the generator 20 is transferred to the capacitor 36 by the circuit of “▲ 5 ▼ → ▲ 6 →→ ▲ 1 →→ ▲ 2 ▼ → ▲ 3 →→ ▲ 8” shown in FIG. Charged.
[0052]
On the other hand, when the polarity of the first terminal MG1 is switched to “−” and the polarity of the second terminal MG2 is switched to “+”, the first field-effect transistor (FET) 76 is turned off, and the third field-effect transistor is turned off. The transistor (FET) 78 is turned on. For this reason, the capacitor 36 is charged by the circuit of “図 8４ → ▲ 7 ▼ → ▲ 1 ▼ → ▲ 2 ▼ → ▲ 3 →→ 4 ▼ → ▲ 5” shown in FIG.
[0053]
In each state, when both ends of the generator 20 are short-circuited by the chopper pulse and opened, a high voltage is induced at both ends of the coil, and the charging efficiency is improved by charging the capacitor 36 with the high charging voltage. I do.
[0054]
FIG. 7 shows the relationship between the current generated by such choppering control and the generator rotation speed. As shown in FIG. 7, the data 81 obtained by the choppering control has a gentle curve as compared with the conventional data 82 in which the choppering control is not performed. For this reason, for example, in order to obtain a predetermined generated current A, the number of rotations B1 is sufficient in the choppering control, but conventionally, a number of rotations of B2 larger than B1 is required. In other words, according to the choppering control, the release speed of the mainspring 1a can be reduced, the duration becomes longer, and the effective use of mechanical energy becomes possible.
[0055]
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
[0056]
1) Since the brake control of the generator 20 is performed by the choppering control, the decrease in the generated power during braking can be compensated for by the increase in the electromotive voltage when the switch is turned off. Can be increased. For this reason, the current when the both ends of the generator 20 are short-circuited can be effectively used without being consumed as heat, so that mechanical energy can be effectively used, and the duration of the mainspring 1a (mechanical energy storage means) can be extended. Thus, the power supply device 100 can operate for a long time.
[0057]
In addition, since the voltage can be boosted by choppering, there is no need to provide a large number of capacitors as in a general boosting circuit, and the cost can be reduced.
[0058]
2) Since the adjustment of the brake amount is performed by changing the duty ratio of the chopper signal CH3, the brake (braking torque) can be increased without lowering the charging voltage (power generation voltage). In particular, when the brake is on, control is performed using a chopper signal with a large duty ratio, so that the braking torque can be increased while suppressing a decrease in charging voltage, and efficient brake control can be performed while maintaining system stability. It can be performed. Thereby, the duration of the power supply device 100 can be further extended.
[0059]
3) Since the chopper control is also performed by the chopper signal having a small duty ratio during the brake off control, the charging voltage while the brake is off can be further improved. That is, the chopper brake can be applied to the full wave of the generator 20, so that the brake amount can be increased and the duration can be made longer than when only the half wave is applied.
[0060]
4) The adjustment of the brake amount is set only when the voltage is 3 V or more and 3 V or less, and it is not necessary to separately set the brake time and the like. The cost can be reduced, and the power supply device 100 can be provided at low cost.
[0061]
In addition, since the duty ratio can be switched in a plurality of stages according to the supply voltage of the capacitor 36, the braking amount can be optimally controlled according to the generated voltage, that is, the rotation speed of the rotor 12 of the generator 20, so that the power supply device 100 Can be controlled more effectively, and the duration can be further lengthened.
[0062]
5) Since the rectification control of the generator 20 is performed by the first and third field-effect transistors 76 and 78 whose gates are connected to the terminals MG1 and MG2, there is no need to use a comparator or the like, and the configuration is simple. , And a reduction in charging efficiency due to the power consumption of the comparator can be prevented. Furthermore, since the on / off of the field effect transistors 76 and 78 is controlled using the terminal voltage of the generator 20, each of the field effect transistors 76 and 78 is synchronized with the polarity of the terminal of the generator 20. The rectification efficiency can be improved. Also, by connecting the second and fourth field-effect transistors 77 and 79, which are chopper-controlled, in parallel with the transistors 76 and 78, the chopper-ring control can be performed independently and the configuration is simplified. it can. Accordingly, it is possible to provide a rectifier (simple synchronous chopper rectifier) 35 that has a simple configuration and can perform chopper rectification in synchronization with the polarity of the generator 20.
[0063]
6) Since the generator 20 and the remaining amount indicating hand 14 are driven to rotate by the mainspring 1a, battery replacement and a power cord are not required as compared with a conventional battery-type power supply or an AC-type power supply. Power supply device with good performance.
[0064]
In particular, in the present embodiment, since the chopper control circuit 180 is driven by the electric power generated by the generator 20, there is no need to provide various batteries, no need for battery replacement, and improve the usability of the power supply device 100. Can be.
[0065]
7) Since there is no battery, it is not necessary to remove the battery when disposing of the power supply device 100, and the disposal operation can be easily performed. Further, since there is no need to provide an expensive battery such as a solar battery or a thermoelectric generator, the power supply device 100 can be provided at low cost.
[0066]
8) Since the stators 123 and 133 have the same shape, the same parts can be assembled upside down, the parts can be shared, and the number of parts can be reduced. For this reason, manufacturing costs and component costs can be reduced, and handling can be facilitated.
[0067]
In addition, since the stators 123 and 133 having the same shape are arranged symmetrically and the number of turns of the coils 124 and 134 of the stators 123 and 133 is the same, the magnetic flux due to AC noise or the like generated outside the power supply device 100 Flows through the two coils 124 and 134 in the same number, whereby the influence of external noise can be canceled out, and the power supply device 100 resistant to noise can be formed.
[0068]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0069]
In the present embodiment, a rectifier 35 'in which a boosting capacitor 73 is added to the rectifier 35 of the first embodiment is used. In this embodiment, the same components as those of the rectifier circuit 35 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted or simplified, and different portions will be described.
[0070]
As shown in FIG. 8, the rectifier 35 'of the present embodiment has a boosting capacitor 73 and a diode 74 instead of the diode 75 on the first terminal side of the rectifier 35 of the first embodiment. . The diodes 74 and 75, the first switch 71, the second switch 72, and the boosting capacitor 73 connected to the generator 20 constitute a rectifier (simple synchronous boosting chopper rectifier) 35 '.
[0071]
In such a rectifier (simple synchronous step-up chopper rectifier) 35 ', the electric power generated by the generator 20 is charged in the power supply circuit 36 as follows. That is, when the polarity of the first terminal MG1 is “+” and the polarity of the second terminal MG2 is “−”, the first field-effect transistor (FET) 76 is turned on, and the third field-effect transistor is turned on. (FET) 78 is turned off. For this reason, the electric charge of the induced voltage generated in the generator 20 is charged in the capacitor 73 by the circuit of “▲ 5 ▼ → ▲ 4 →→ 3 ▼ → ▲ 8 ▼” shown in FIG. The capacitor 36 is charged by the circuit of ▼ → ▲ 6 ▼ → ▲ 1 ▼ → ▲ 2 ▼ → ▲ 3 ▼ → ▲ 8 ▼ ''.
[0072]
On the other hand, when the polarity of the first terminal MG1 is switched to “−” and the polarity of the second terminal MG2 is switched to “+”, the first field-effect transistor (FET) 76 is turned off, and the third field-effect transistor is turned off. The transistor (FET) 78 is turned on. For this reason, by the circuit of “condenser 73 → 回路 5 ▼ → ▲ 8 ▼ → ▲ 7 ▼ → ▲ 1 ▼ → ▲ 2 ▼ → ▲ 3 ▼ → ▲ 4 ▼” shown in FIG. The capacitor 36 is charged with the voltage obtained by adding the voltage and the charging voltage of the capacitor 73. The other control and operation and effect are the same as those of the first embodiment, and the description is omitted.
[0073]
Also in this embodiment, the functions and effects 1) to 8) of the first embodiment can be obtained.
[0074]
9) Since the simple synchronous boosting chopper rectifier 35 'having the boosting capacitor 73 is used, the power generation voltage of the generator 20 can be set low. For this reason, the number of turns of the coils 124 and 134 of the generator 20 can be reduced, so that the generator 20 can be downsized, the iron loss can be reduced, and the spring 1a can be downsized. Accordingly, the power supply device 100 can be downsized and operate with a small torque, so that the life of the mechanical energy storage means such as the mainspring 1a can be improved, and the duration of the power supply device 100 can be further increased.
[0075]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes modifications and improvements as long as the objects of the present invention can be achieved.
[0076]
For example, as the generator 20, in addition to the generator with a core, when the power consumption is large, a power supply device (coreless generator) 95 without a core may be used as shown in FIG. The power supply device 95 includes a pair of substantially cylindrical back yokes 91 mounted above and below a rotor 90 and a disk-shaped magnet 92 mounted inside thereof. The stator 94 having the coil 93 formed is sandwiched therebetween. Since there is no stator coil that generates iron loss in the magnetic circuit that forms the stator 94, the loss can be reduced. In addition, this generator can reduce the number of turns with respect to the magnetic flux, so that the loss due to the coil resistance is small and a large current can be easily taken out. However, since the rotors are arranged on both sides of the stator 94, a slight thickness is required for assembling the rotor into the device. Therefore, it is suitable for a power supply device in which a certain thickness is allowed.
[0077]
Further, the stator may be of an integral type or the like, and the shape, structure, etc. of the stator may be appropriately set in practice.
[0078]
Further, the mechanical energy storage means is not limited to the mainspring 1a, but may be a leaf spring or a weight. In short, any means can be used as long as it can store mechanical energy (such as elastic energy or potential energy). As a means for inputting mechanical energy to the mechanical energy storage means such as the mainspring 1a, the remaining amount indicating needle 14 or other manual winding device may be used, or an automatic winding using a rotary weight or the like may be used. An apparatus may be used.
[0079]
In addition, not limited to the AC generator, a DC generator may be used. In the case of a DC generator, for example, when a brush motor is rotated, the voltage may be detected and determined. In the case of a DC generator, the rectifier circuit may not be provided.
[0080]
Further, in the above-described embodiment, the remaining time indicating hand 14 is provided in the power supply device 100 to indicate the duration during which the power can be used as a power supply. When the output of the power supply device may be reduced by hitting a bell with an electric buzzer or a hammer operated by returning the display needle 14 to the origin when the power supply cannot be obtained, the output of the power supply device may be reduced. Instead of producing a sound, a lamp or the like may be turned on. Further, when the power supply device 100 is incorporated in various devices such as a computer and a mobile phone, the power supply device 100 may be operated to automatically switch off the device when the voltage drops.
[0081]
Further, the chopper ring frequency at which the switches 71 and 72 are turned on and off by the chopper control circuit may be set as appropriate in implementation, but is preferably a frequency that is five times or more the electromotive voltage waveform of the generator 20. More preferably, it is 5 to 100 times the waveform.
[0082]
If the choppering frequency is smaller than five times the electromotive voltage waveform, the effect of increasing the electromotive voltage is reduced. Therefore, the chopper ring frequency is preferably five times or more the electromotive voltage waveform.
[0083]
Also, the chopper frequency is 100 times that of the electromotive voltage waveform.CrossingSince the power consumption of the IC increases due to the choppering and the generated power increases, the choppering frequency is preferably 100 times or less of the electromotive voltage waveform. Furthermore, if the choppering frequency is 5 to 100 times the electromotive voltage waveform, the rate of change in torque with respect to the rate of change in duty cycle is close to constant, and control becomes easy.You.
[0084]
The power storage unit is not limited to the capacitor 36, and may be a secondary battery or the like.
[0085]
Further, the power supply device 100 of the present invention may have the same shape as a primary battery (single to single-cell dry battery or button battery) and be used instead of the battery. Further, it may be incorporated and used as a power source for various watches, portable blood pressure monitors, portable telephones, pagers, pedometers, calculators, portable personal computers, electronic organizers, portable radios, and the like.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the power supply device of the present invention, the cost can be reduced, and the duration time can be extended by effectively utilizing the energy stored in the spring and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a power supply device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a main part of the power supply device of the embodiment.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a control circuit of the power supply device according to the present embodiment.
FIG. 4 is a circuit diagram illustrating a configuration of a control circuit according to the present embodiment.
FIG. 5 is a timing chart of chopper control according to the present embodiment.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a control method according to the embodiment.
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a generated current and a rotation speed of a generator according to the present embodiment.
FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a configuration of a control circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a power supply device according to a modification of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 barrel car
1a Mainspring
1b barrel gear
2 Ground plate
4 Dial
7 Second car
8 Third car
9 Fourth car
10 Fifth car
11th car
12 rotor
12a Rotor
12b Rotor magnet
14 Remaining indicator hand
20 Generator that is a power generation unit
35 rectifier
36 Capacitors that are power storage units
37 comparator
38 Reference voltage generation circuit
70 Brake circuit
71,72 switch
73 Boost Capacitor
74,75 diode
77-79 Field-effect transistor
100 power supply
121, 131 Coil block
122a, 132a Stator hole
122,132 core stator part
123,133 Stator
123a, 133a Core magnetic conduction section
123b, 133b core winding
124,134 coil
180 Chopper control circuit

Claims

機械エネルギ蓄積手段に蓄積された機械エネルギを電気エネルギに変換する発電部と、
この発電部から電力を充電して外部に供給する蓄電部と、
この蓄電部からの供給電圧に基づいて前記発電部の回転速度をチョッパリングにより前記発電部にブレーキを掛けて制御するチョッパ制御回路とを有し、
前記チョッパリングの周波数が、前記発電部の起電圧波形の周波数の５倍〜１００倍であることを特徴とする電源装置。A power generation unit that converts mechanical energy stored in the mechanical energy storage unit into electric energy,
A power storage unit that charges power from the power generation unit and supplies the power to the outside;
A chopper control circuit that controls the rotation speed of the power generation unit based on the supply voltage from the power storage unit by applying a brake to the power generation unit by choppering ,
The power supply device , wherein a frequency of the chopper ring is 5 to 100 times a frequency of an electromotive voltage waveform of the power generation unit.

請求項１に記載の電源装置において、
前記チョッパ制御回路は、前記蓄電部からの供給電圧が基準電圧と比較して高いときはブレーキデューティ比を大きくし、低いときはブレーキデューティ比を小さくすることを特徴とする電源装置。The power supply device according to claim 1,
The power supply device, wherein the chopper control circuit increases the brake duty ratio when the supply voltage from the power storage unit is higher than a reference voltage, and decreases the brake duty ratio when the supply voltage is lower than the reference voltage.

請求項１または２に記載の電源装置において、
前記蓄電部は、セラミックコンデンサまたはフィルムコンデンサであることを特徴とする電源装置。The power supply device according to claim 1 or 2 ,
The power storage device, wherein the power storage unit is a ceramic capacitor or a film capacitor.